千岛湖配水工程穿江隧洞防排水施工技术研究

姜广文

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

不良地质情况下的江底隧洞施工面临的风险性极大,特别是防突水问题是江底隧道施工的重中之重，如果处理不好，会造成严重后果[1-2]。分水江水下隧洞工程，以“地质预报为先、多道设防为主、防水排水互相结合”为原则，在推进施工时根据工况进行合理排水，并采取全断面超前帷幕注浆，有效规避了水底隧洞不良地质带涌水等突发事件，实现了隧洞安全顺利贯通。

1 项目概况

1.1 工程概况

千岛湖配水工程分水江水下隧洞全长1160m。位于浙江省杭州市桐庐县横村镇，桐郑公路沿山脚穿过，江底隧洞洞段总长度为1009m，隧洞横断面为马蹄形，隧道底宽480cm，隧道高度690cm，中部宽720cm。

1.2 水文地质条件

右岸山坡及河滩处地下水位埋深4.5～6.0m，大多为砂砾卵石层，透水系数局部大于10-2cm/s。分水江水下隧洞洞底最低处位于水平面以下50m处，河床段上覆岩体厚度一般为9～30m，其中平距0～150m，上覆岩体厚度40～70m，围岩多为块状的晶屑凝灰岩，岩体完整性较好，围岩类别以Ⅱ类为主；平距150～250m，上覆岩体厚度30～40m，围岩多为块状的晶屑凝灰岩，岩体完整性较好；平距250～310m，上覆岩体厚度较薄，一般20～30m，平距310～450m，上覆岩体厚度15～45m，平距450m以下，隧洞洞身多为唐家坞组砂岩，围岩类别以Ⅲ类为主。输水隧洞穿越分水江，从勘探成果来看，河床部位近200m长度范围内岩石破碎，隧洞顶部与河床段最低处距离只有16m，还穿过F1、F3两条断层影响带，断裂构造发育，存在突水等影响施工安全的地质隐患(见图1)。

图1 穿江隧洞纵剖面布置(单位：mm)

2 抽排水方案

2.1 抽排水量

根据招标文件说明，输水隧洞穿江段总排水量控制标准为：分水江1号支洞工作面、分水江2号支洞工作面、分水江检修放水井合计的连续两周稳定涌水量排水量超过8000m3/d，即333m3/h。

2.2 抽排布置

在输水隧洞穿江段江底平坡与两侧斜坡连接处各设置1处集水坑，在斜坡段中段设置1处集水坑，在分水江1号、2号支洞交叉口各设置1处集水坑。集水坑内设置水泵。掌子面及沿线洞壁渗流水收集后抽排至集水坑，然后通过水泵、抽排水管路抽排至支洞外[3]。抽排水布置见图2，抽排水设备配置见表1。

图2 抽排水布置示意图

表1 抽排水设备配置情况

2.3 抽排管路

抽排管路为φ200钢管，布置安装在隧洞一侧，在出现局部大流量涌水情况下，调集备用抽排水设备投入工作，同时将原有供风管(安装在排水管同侧，φ200钢管)进行改造，使其成为排水管路，以便以最快速度排出突涌水[4](见图3)。

图3 抽排水管路调整示意图

3 超前帷幕注浆

隧道超前全断面帷幕注浆的作用主要是止水和加固地层，减小地层涌水量，保证正常施工。

3.1 注浆设计

a.注浆材料。根据施工经验，并综合各类浆液特性进行比较分析，结合相关地质条件，进行双液注浆。注浆材料的具体配合比在注浆试验以及现场施工中不断优化和完善。

b.注浆范围。超前预注浆加固范围：B=(3～4)D；超前注浆加固圈厚度：B1=(B-D)/2。式中：D为隧道开挖直径(m),按照地质情况，隧洞穿江段注浆加固区间是30m，加固圈厚度为开挖轮廓线外7.7～8.0m。

c.布孔参数及浆液扩散半径。输水隧洞穿江段超前帷幕注浆采用环形布孔，在注浆终孔断面上，最大孔间距为3.42m，按照不存在注浆盲区的原则，注浆扩散半径拟定为2m。

d.注浆压力。输水隧洞穿江段超前帷幕注浆压力拟定为2～5MPa，局部和补注浆压力为1～3MPa。

e.止浆墙厚度。将孔口管固定在止浆墙上，为兼顾降低施工成本和确保隧洞安全，该隧洞止浆墙厚度设置为1.5m。

f.布孔设计。按照设计要求对超前帷幕注浆孔位进行布置(见图4～图5)。

图4 穿江隧洞帷幕注浆开孔布置示意图(单位：cm)

图5 穿江隧洞帷幕注浆终孔布置示意图(单位：cm)

g.设计参数。选用超前帷幕注浆设计参数 (见表2)。

表2 穿江隧洞帷幕注浆设计参数

3.2 工艺流程

穿江隧洞全断面超前帷幕注浆在第一次注浆前设置止浆墙，止浆墙厚1.5m；注液区域是上部及左、右两侧为7.7m，下部为8.0m。穿江隧洞全断面超前帷幕注浆工艺流程[5]见图6。

图6 穿江隧洞全断面超前帷幕注浆流程

3.3 施工工艺

3.3.1 止浆墙和孔口管安装

第一循环超前帷幕注浆前设置1.5m厚C25混凝土止浆墙。终点算出钻进坡度和水平角(方位角)，套管外露长度保持30～40cm。超前帷幕注浆采用RPD-150C型钻机钻孔，开孔钻头直径101mm，安装φ89孔口管，成孔直径约110mm；终孔钻头直径63mm，成孔直径约80mm[6]。注浆钻孔结构见图7。

图7 注浆钻孔结构示意图

3.3.2 钻孔

RPD-150C型钻灌一体钻机[7]能钻灌取芯，并自动记录钻进数据。设备能够自动地记录孔深、钻速、旋转扭矩、旋转数、给进力、打击压力等各项钻孔数据，同时可以通过配套的钻杆注浆，实现钻灌一体化。最大转速为80r/min，采用电动作为动力，发动机功率75kW。钻速平均10m/h(0～40m)、8m/h(40～80m)、6m/h(80～110m)、5m/h(>110m)。钻孔施工的钻孔次序(顺序)为先外后内，先上后下。由于穿江隧洞断层影响带主要为由断层泥、碎裂岩组成，浆液扩散直径必须超过4m。在钻进的同时随作业班做好记录。

a.浆液配合比控制。浆液配合比[8]见表3。

表3 浆液配合比

b.浆液选择原则[9]。地下水丰富时水灰比取低值，较丰富或不丰富时水灰比取高值；洞身开挖范围以外采用双液浆重点加固，开挖范围以内采用单液浆进行止水。

c.注浆方式及工艺。为确保注浆质量，加快施工进度，实施钻注一体，钻机达到设计深度以后，采用分段钻杆后退式注浆方式。工艺流程见图8，后退式注浆顺序见图9。

图8 注浆流程

图9 注浆顺序

3.4 超前帷幕注浆施工强度

超前帷幕注浆施工强度[10]见表4。

表4 超前帷幕注浆施工强度

根据超前地质预报成果，对穿江段56+025.9～55+995 .9区间和55+986.9～55+969.9区间进行两次超前预帷幕注浆后，在掌子面对灌浆效果进行质检，结果表明：检查孔基本没有出现渗水现象。

4 结 语

分水江穿江隧洞，按照“超前做好地质预报、严格进行钻孔注浆、缩短开挖距离、加强支护力度、迅速封闭开挖面、提高量测频率”要求进行施工，依据超前地质预报，制定排水方案，针对出水量较多、地质情况较差情况，采用不同的灌浆参数进行止水。有的放矢进行超前预注浆后，总注浆费和抽排水费分别节约260万元和90万元。2016年12月18日，隧道提前28天安全贯通。施工过程中，没有出现涌水、坍塌等情况，通过监测，相关数据符合设计要求。